导电性能
金属导电
阻碍晶体中电子运动的原因:电子与点阵的非弹性碰撞。
机理:1 晶格热振动(温度引起的离子运动振幅的变化)
2 杂质的引入
杂质存在,使金属正常结构发生变化,引起额外的散射。
3 位错及点缺陷
影响因素:
1. 温度
温度升高,离子振幅越大,电子越易受到散射,电阻率增大。在不同温度范围内电阻率与温度变化的关系不同。金属熔化时,电阻率突然增大。铁磁体在居里温度处变化反常。
2. 压力
在流体静压下,大多数金属的电阻率下降,有时大的压力使材料由半导体和绝缘体变为导体。原因:金属原子间距变小,内部缺陷形态、电子结构、费米能和能带结构都将发生变化,因而电阻率下降。
3. 冷加工和缺陷
除了K状态,大部分金属冷加工和电阻率增大。机理:晶格畸变(空位、间隙原子以及它们的组合,位错使金属电阻增加,前二者作用远大于后者)。
冷加工后退火,电阻率减小,可以回复到加工前电阻值。
4. 固溶体
形成固溶体时,合金导电性能降低。
机理:1. 加入溶质原子——溶剂的晶格发生扭曲畸变——破坏了晶格势场的周期性—— 增加了电子散射几率。
2. 固溶体组元的化学相互作用。
合金有序化后电阻率下降。
离子导电机制:
1. 本征导电
晶体点阵的基本离子由于热振动离开晶格,形成热缺陷。
2. 杂质导电
参加导电的载流子主要是杂质。
本质:离子导电是离子在电场作用下的扩散现象(空位扩散、间隙扩散、亚晶格间隙扩散)。
影响因素:
1. 温度升高,电导率升高。
2. 晶体结构(导电激活能不同)
熔点高,电导率下降
晶体有较大间隙,电导率上升
碱卤化物:负离子半径增大电导率升高;一价正离子比高价正离子电导率高。
3. 点缺陷降低电导率
4. 快离子导体
半导体导电
杂质半导体电导率较本征半导体高。
加入P形成施主能级,加入Al形成受主能级。
介电性能
极化——电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。
电介质——在电场作用下能建立极化的物质。
弛豫时间——电介质完成极化需要的时间。
极化机制:
1. 电子位移极化(可逆;与温度无关)
2. 离子位移极化(可逆;温度升高,极化增强)
3. 电子弛豫极化(不可逆;随温度升高极化强度有极大值)
4. 离子弛豫极化(不可逆;随温度升高有极大值)
5. 取向极化(能保存下来;随温度升高有极大值)
6. 空间电荷极化(随温度升高减弱)
电导率小的介质承受的场强高,大的介质承受的场强低。材料的不均匀性降低其击穿场强。
热释电效应——晶体由于温度的作用而使其电极化强度改变。
铁电体——极化强度与外加电场呈电滞回线的晶体为铁电体。
电畴——铁电体自发极化时能量升高,状态不稳定,晶体趋向于分成许多小区域,每个小区域电偶极子沿同一方向,不同小区域的电偶极子方向不同,每个小区域为电畴。
一般电介质>压电体>热释电体>铁电体
光学性能
光在介质中的传播速度取决于介电常数和磁导率。
折射本质——一部分能量被吸收,同时光波速度减小,导致折射。
光子与固体作用的微观现象:
1. 电子极化
光中电场分量与传播过程中每一个原子都发生作用,引起电子极化;
2. 电子能态的改变
光子被吸收和发射,都可能涉及到固体材料中电子能态的转变。
材料折射率的影响因素
1. 材料元素的离子半径(离子半径增大,折射率增大)
2. 材料的结构、晶型(非晶态和立方晶体结构只有一个折射率)
3. 材料的内应力
4. 同质异构体(高温相N小,低温下N大)
色散——材料的折射率随入射光的频率的减小而减小的性质,称为折射率的色散。(原理:频率不同导致介质极化强度不同,从而导致折射率不同)
非金属材料的透过性
机制:
1. 电子极化(只有光的频率与电子极化时间的倒数处于同一数量级)
2. 电子受激吸收光子而越过禁带
3. 电子吸收光子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级
每一种金属材料对特定波长一下的电磁波是不透明的,其具体波长取决于禁带宽度。
散射与波长(波长越小,散射越严重)、散射颗粒大小、分布、数量以及散射相与基体的相对折射率有关。
材料的发光
1. 发光
由于受温度之外的其他因素导致的固体向外发射可见光的现象。包括荧光和磷光。
2. 热辐射
利用高温使材料发光。
光导电性——光子照射到半导体表面,能产生光诱导的导电性,称为光导电性。
材料的热性能
德拜温度反应了原子结合力,值越大原子结合力越大。
影响热膨胀的因素:
1. 合金成分和相变
2. 晶体缺陷
3. 晶体的各向异性(弹性模量较高的方向上有较小的膨胀系数)
4. 铁磁性合金的铁磁转变(反常,磁致收缩抵消了合金正常的热膨胀)
5. 加工及热处理
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热导率影响因素:
1. 纯金属
1. 温度(先增后平再减)
2. 晶粒大小(晶粒粗大,热导率高)
3. 各向异性
4. 杂质降低热导率
2. 合金
1. 无序固溶体(浓度增加热导率减小)
2. 有序固溶体(热导率提高)
3. 钢(奥氏体<淬火马氏体<回火马氏体<珠光体)
3 无机非金属
1. 温度
2. 化学组成
3. 晶体结构
晶体结构越复杂,热导率越低
4. 非晶热传导有特殊性
1 不考虑光子导热,在所有温度下,非晶导热低于晶体;
2 在较高温度下热导率比较接近
3 非晶热导随温度变化没有出现极值。
弹性性能
弹性模量影响因素:
1. 温度
温度升高,E降低
2. 相变
加热时E增加,降温时E减小
3. 固溶体
4. 晶体结构
粘弹性——材料在小应力作用小表现出粘性和弹性(被认为是严重发展的滞弹性)
滞弹性——与时间有关的弹性称为滞弹性
内耗——由于固体内部原因而使机械能消耗的现象的称为内耗或阻尼
内耗机制:
1. 点阵中原子有序排列形成内耗
2. 与位错有关的内耗
3. 与晶界有关的内耗
4. 磁弹性内耗
5. 热弹性内耗
6. 伪弹性内耗
7. 相变内耗
磁性能
磁性分类:抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性、亚铁磁性。
组成物质的原子具有完全填满的电子壳层,具有抗磁性。
顺磁性:源自未填满的内电子壳层中那些未成对的电子具有的磁矩,绝大多数的过渡金属和稀土金属具有顺磁性。
铁磁性条件:
1. 内层电子未填满
2. 未填满的电子层有较小的轨道半径
3. 未填满的电子层的电子能带很窄
磁致收缩——铁磁体在磁场中磁化,形状和尺寸都发生改变。
磁弹性能——磁化时材料变化尺寸受限制,产生应力,从而产生弹性能,物体内部缺陷,杂质都可能增加其磁弹性能。
自发磁发理论:交换积分A>0时,相邻原子磁矩同向排列,从而实现自发磁发,产生铁磁性。本质——静电力迫使电子自旋磁矩平行排列。
铁磁性产生条件:1. 原子内部要有未填满的电子壳层(本征磁矩不为0),2. Rab/r>3,使交换积分A为正(一定的晶体结构)
铁磁性——所有偶极子指向相同的方向
反铁磁性——方向交替变化的偶极子具有相同的大小
亚铁磁性——如果相反方向交替排列的两种偶极子大小不同
磁畴——磁体由不同磁偶极矩取向的小区域组成的每一区域为磁畴。
磁畴的形成:
1. 单晶
交换能力——晶体自发磁发饱和,磁化方向沿晶体易磁化方向——产生磁极——退磁场——破坏已形成的自发极化——分畴(减小退磁能是分畴的基本动力)
2. 多晶
晶界:磁畴壁一般不穿过晶界作用
夹杂物,空洞:(1)出现楔形畴附加畴
(2)吸收畴壁的作用
不均匀应力:磁化不均匀,出现散磁场
技术磁化——外加磁场对磁畴的作用过程,外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程。
技术磁化机制:
(1)未加磁场时,形成两个磁畴,磁畴壁通过夹杂相
(2) H增加,磁畴壁移动,形成几段圆弧(内部原子磁矩转向过程),取消磁场,可以回到原位(第一阶段,可迁移阶段)
(3) H继续增加,磁畴壁脱离夹杂物,到达中线,再达到另一夹杂物,不会由于H取消回到原位,为不可逆迁移,磁导率较高)
(4)H再增加,整个磁畴的磁矩方向转向外磁场,为畴的旋转过程。宏观磁性达到最大值。
影响磁畴壁迁移的因素:
(1)材料中的夹杂物,第二相,空隙数量及分布;
(2)内应力的大小
(3)磁晶各向异性
(4)磁致伸缩及磁弹性能
影响合金铁磁性和亚铁磁性的因素:
1. 温度
对铁磁性材料:饱和磁化强度是温度的减函数
对于亚铁磁性材料:由不同相,但磁相互作用相反的磁结构组成的。则每个磁结构因来源不同,与温度的关系也不相同。
2. 加工硬化的影响
点阵畸变磁导率下降
晶粒破碎矫顽力上升
内应力增加剩磁强度先下降后上升,存在临界形变,与Ms无关
材料纯度高,等轴状,及小的内应力,大的晶粒度,得到高的磁导率。
本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/7d8cf196284ac850ad024286.html
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